ES2929658T3 - Acero para herramientas, en particular acero para trabajo en caliente, y objeto de acero - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a un acero para herramientas, en particular un acero para herramientas de trabajo en caliente, que tiene la siguiente composición: 0,26 a 0,55% en peso de C; <2% en peso de Cr; 0 a 10% en peso de Mo; 0 a 15% en peso W; siendo el contenido total de W y Mo del 1,8 al 15% en peso; elementos formadores de carburo Ti, Zr, Hf, Nb, Ta con un contenido de 0 a 3% en peso individualmente o en total; 0 a 4% en peso de V; 0 a 6% en peso de Co; 0 a 1,6% en peso de Si; 0 a 2% en peso de Mn; 0 a 2,99% en peso de Ni; 0 a 1% en peso de S; Resto: hierro e impurezas inevitables. En comparación con los aceros para herramientas conocidos, el acero para herramientas para trabajo en caliente tiene una conductividad térmica significativamente mayor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Acero para herramientas, en particular acero para trabajo en caliente, y objeto de acero
La presente invención se refiere a un acero para herramientas, en particular a un acero para trabajo en caliente, al uso de un acero para herramientas y a un objeto de acero.
Los aceros para trabajo en caliente son aceros para herramientas aleados, que junto con el hierro contienen en particular carbono, cromo, tungsteno, silicio, níquel, molibdeno, manganeso, vanadio y cobalto como elementos de aleación en diferentes proporciones.
Los aceros para trabajo en caliente se pueden usar para producir objetos de acero, como por ejemplo herramientas, que son adecuadas para el procesado de materiales, en particular en fundición, en extrusión o en forja por estampación. Ejemplos de esas herramientas son las matrices de extrusión, las herramientas de forja, los moldes de inyección, los punzones o similares, que deben tener propiedades especiales de resistencia mecánica a altas temperaturas de trabajo. Otro campo de aplicación de los aceros para trabajo en caliente son las herramientas para el moldeo por inyección de plásticos.
Una funcionalidad esencial de los aceros para herramientas, en particular de los aceros para trabajo en caliente, y de los objetos de acero producidos a partir de ellos, es la de garantizar durante su uso en procesos técnicos, una eliminación suficiente del calor introducido previamente o generado en el propio proceso.
Las herramientas para trabajo en caliente que se producen a partir de un acero para trabajo en caliente, deben tener, además de una alta estabilidad mecánica a temperaturas de trabajo más elevadas, también una buena conductividad térmica y una buena resistencia al desgaste en caliente. Otras propiedades de los aceros para trabajo en caliente son, junto con una dureza y resistencia suficientes, también una elevada dureza en caliente y una gran resistencia al desgaste a elevadas temperaturas de trabajo.
Una alta conductividad térmica del acero para trabajo en caliente utilizado para producir las herramientas es de particular importancia para algunas aplicaciones, ya que puede suponer un considerable acortamiento del tiempo de ciclo. Dado que el funcionamiento de los equipos de conformado en caliente para conformar las piezas en caliente es relativamente caro, se puede conseguir un considerable ahorro de costes mediante la reducción de los tiempos de ciclo. Una alta conductividad térmica del acero para trabajo en caliente es también una ventaja en inyección a alta presión, ya que los moldes de inyección que se utilizan tienen una vida útil mucho más larga debido a un gran aumento de la resistencia a la fatiga térmica.
Los aceros para herramientas que se utilizan a menudo para la producción de herramientas tienen típicamente una conductividad térmica del orden de aproximadamente 18 a 24 W/mK a temperatura ambiente. Por lo general, las conductividades térmicas de los aceros para trabajo en caliente conocidos de la técnica anterior son aproximadamente de 16 a 37 W/mK.
Por ejemplo, EP 0 632 139 A1 divulga un acero para trabajo en caliente que tiene una conductividad térmica comparativamente alta de más de 35 W/mK a temperaturas de hasta aproximadamente 1.100°C. El acero para herramientas de trabajo en caliente que se conoce a partir de este documento, contiene, además de hierro e impurezas inevitables:
0,30 a 0,55% en peso de C;
menos de 0,90% en peso de Si;
hasta el 1,0% en peso de Mn;
2,0 a 4,0% en peso de Cr;
3,5 a 7% en peso de Mo
0,3 a 1,5% en peso de uno o varios de los elementos vanadio, titanio y niobio.
Los aceros convencionales para trabajo en caliente tienen típicamente un contenido de cromo de más del 2% en peso. El cromo es un formador de carburos comparativamente barato, y además proporciona al acero para trabajo en caliente una buena resistencia a la oxidación. Además, el cromo forma carburos secundarios muy finos, de forma que, la relación entre la resistencia mecánica y la tenacidad en el caso de aceros para herramientas de trabajo en caliente convencionales, es muy buena.
A partir de la patente alemana DE 1014577 B1 se conoce un proceso para la producción de herramientas para trabajo en caliente utilizando una aleación de acero endurecida. Esta patente se refiere en particular a un proceso para producir herramientas para trabajo en caliente que se endurecen durante la operación, en particular matrices de estampación en caliente con una alta resistencia a la rotura y a la fractura y con un alto límite elástico bajo cargas estáticas compresivas a altas temperaturas. Los aceros de conformado en caliente descritos en este documento también se distinguen por una composición química simple, relativamente barata (0,15-0,30% C, 3,25-3,50% Mo, sin cromo) y por un tratamiento térmico sencillo. El documento trata principalmente de los procesos óptimos para la producción de matrices de estampación en caliente, incluyendo los tratamientos de recocido (endurecimiento) asociados. No se discuten propiedades especiales que dependan de la composición química.
CH 481222 se refiere a un acero para trabajo en caliente aleado con cromo-molibdeno-vanadio con buenas propiedades de fresado en frío para la producción de herramientas, como por ejemplo fresas (hobs) y troqueles. Se menciona que la combinación de los elementos de aleación -en particular el cromo (1,00 a 3,50% Cr), el molibdeno (0,50 a 2,00% Mo) y el vanadio (0,10 a 0,30% V)- tiene una influencia decisiva en las propiedades deseadas, como por ejemplo una baja resistencia al recocido (55 kp/mm2), buenas propiedades de fluencia, buena conductividad térmica, etc.
El documento japonés JP 4147706 trata de la mejora de la resistencia al desgaste de los mandriles para la producción de tuberías de acero de una pieza mediante la geometría de la cúpula y mediante la composición química de la aleación (0,1 a 0,4% de C, 0,2 a 2,0% de Mn, 0 a 0,95% de Cr, 0,5 a 5,0% de Mo, 0,5 a 5,0% de W). Las medidas especiales para aumentar la conductividad térmica del acero no son el objeto de este documento.
El documento japonés JP 2004183008 describe una aleación de acero ferrítico-perlítico para herramientas de bajo coste (0,25 a 0,45% C, 0,5 a 2,0% Mn, 0 a 0,5% Cr) para el moldeo de plásticos. En este caso, la relación óptima entre procesabilidad y conductividad térmica está en primer plano.
El acero descrito en el documento JP 2003253383 comprende un acero para herramientas pretratado para el moldeo de plásticos con una estructura básica ferrítico-perlítica (0,1 a 0,3% C, 0,5 a 2,0% Mn, 0,2 a 2,5% Cr, 0 a 0,15% Mo, 0,01 a 0,25% V), en el que la destacada procesabilidad y soldabilidad están en primer plano.
Para aumentar la temperatura de transformación Ac1 en un acero para herramientas que está caracterizado por una alta temperatura superficial durante el laminado, y para establecer una excelente procesabilidad y tensiones del flujo bajas, JP 9049067 propone una especificación de la composición química (0,05 a 0,55% de C, 0,10 a 2,50% de Mn, 0 a 3,00% de Cr, 0 a 1,50% de Mo, 0 a 0,50% de V) y, en particular, aumentar el contenido de silicio (0,50 a 2,50% de Si).
El documento CH 165893 se refiere a una aleación de hierro que es adecuada, en particular, para herramientas para trabajo en caliente (estampadoras, matrices o similares) y que tiene una composición química con poco cromo (en la medida en que no tiene cromo) y que contiene tungsteno, cobalto y níquel (preferentemente con adiciones de molibdeno y vanadio). La reducción del contenido de cromo o la ausencia total de cromo como elemento de aleación se considera responsable de la mejora significativa de las propiedades y de la interrelación de las propiedades de aleación positivas. Se encontró que incluso la reducción de la fracción de cromo en pequeñas cantidades produce una influencia mucho mayor en las propiedades deseadas (por ejemplo, una buena resistencia a la fractura a alta temperatura, tenacidad e insensibilidad a las fluctuaciones de temperatura y, por tanto, una buena conductividad térmica) que la adición de grandes cantidades de W, Co y Ni.
La patente europea EP 0787813 B1 divulga un acero ferrítico resistente al calor con un bajo contenido de Cr y Mn y con una excelente resistencia a altas temperaturas. El objetivo de la invención que se divulga en el citado documento fue proporcionar un acero ferrítico resistente al calor con un bajo contenido de cromo que tenga una resistencia a la fluencia mejorada en condiciones de largos periodos de tiempo a altas temperaturas, así como una tenacidad, procesabilidad y soldabilidad mejoradas incluso en el caso de productos de grandes espesores. La descripción de las influencias de la aleación con respecto a la formación de carburos (crecimiento), la precipitación y el fortalecimiento de la solución sólida pone de manifiesto la necesidad de estabilizar la estructura del acero ferrítico. La disminución del contenido de Cr por debajo del 3,5% se justifica por la supresión de la reducción de la resistencia a la fluencia debido al crecimiento de carburos de Cr a temperaturas superiores a 550°C. así como por la mejora de la tenacidad, la procesabilidad y la conductividad térmica. Sin embargo, se considera que al menos un 0,8% de Cr es un requisito previo para mantener la resistencia a la oxidación y a la corrosión del acero a altas temperaturas.
DE 19508947 A1 divulga una aleación resistente al desgaste, al temple y a las altas temperaturas. Esta aleación está destinada en particular a la utilización de herramientas para trabajo en caliente en la tecnología de pre-conformado en caliente y conformado en caliente y se distingue por contenidos muy elevados de molibdeno (10 a 35%) y tungsteno (20 a 50%). Además, la invención descrita en el citado documento se refiere a un proceso de producción sencillo y económico, en el que la aleación se produce primero por fundición o por pulvimetalurgia. El contenido de Mo y W en tan elevadas cantidades se justifica por el aumento de la resistencia al revenido y a la resistencia a altas temperaturas mediante el endurecimiento por solución sólida y por la formación de carburos (o fases intermetálicas). Además, el molibdeno aumenta la conductividad térmica y reduce la expansión térmica de la aleación. Por último, este documento explica la idoneidad de la aleación para la producción de capas superficiales en cuerpos base de diferentes composiciones (haz láser, haz de electrones, chorro de plasma o soldadura de aporte).
La patente alemana DE 4321433 C1 se refiere a un acero para herramientas de trabajo en caliente, como el utilizado para el pre-conformado, conformado y procesado de materiales (en particular en fundición, extrusión, forja por estampación o como hojas de corte) a temperaturas de hasta 1100°C. Es característico que el acero tenga, en el rango de temperaturas de 400 a 600°C, una conductividad térmica superior a 35 W/mK (aunque generalmente disminuye con el aumento del contenido de aleación) y, al mismo tiempo, una elevada resistencia al desgaste (resistencia a la tracción superior a 700 N/mm2). La muy buena conductividad térmica se atribuye, por un lado, al aumento de la fracción de molibdeno (3,5 a 7,0% de Mo) y, por otro, a una fracción máxima de cromo del 4,0%.
El documento JP 61030654 se refiere a la utilización de un acero con alta resistencia al agrietamiento en caliente y a la fractura en caliente, así como una gran conductividad térmica, como material para la producción de carcasas para rodillos en instalaciones de fundición continua de aluminio. Aquí también se discuten las tendencias opuestas de la influencia de la composición de la aleación en el agrietamiento en caliente o a la fractura en caliente y la conductividad térmica. Los contenidos de silicio superiores al 0,3% y de cromo superiores al 4,5%, se consideran desfavorables, especialmente en lo que respecta a la conductividad térmica. Se presentan posibles procedimientos para establecer una microestructura martensítica endurecida de las carcasas de los rodillos producidos a partir de la aleación de acero de acuerdo con la invención.
El documento EP 1300482 B1 se refiere a un acero para trabajo en caliente, en particular para herramientas de conformado a elevadas temperaturas, con la presencia simultánea de las siguientes propiedades: aumento de la dureza, resistencia y tenacidad, así como buena conductividad térmica, una resistencia al desgaste a temperaturas elevadas mejorada y una mayor vida útil bajo cargas de tipo impacto. Se describe que ciertas concentraciones dentro de límites estrechos de carbono (0,451 a 0,598% C) así como de elementos que forman carburos de aleación y monocarburos (4,21 a 4,98% Cr, 2,81 a 3,29% Mo, 0,41 a 0,69% V) en el revenido térmico conducen a un deseado endurecimiento por solución sólida y permiten la supresión del endurecimiento por carburos o la precipitación de carburos gruesos que aumentan la dureza a expensas de la dureza de la matriz. La mejora de la conductividad térmica por la reducción de la fracción de carburos podría deberse a la cinética interfacial y/o las propiedades de los carburos.
Shtansky et al en Acta mater. 45 (1997) 2861-2878 describen las transformaciones de fase en aceros Fe-MoC y Fe-W-C mediante revenido a 700°C.
Una desventaja de los aceros para herramientas conocidos de la técnica anterior, en particular de los aceros para trabajo en caliente, y de los objetos de acero producidos a partir de ellos, es que sólo tienen una conductividad térmica insuficiente para algunos ámbitos de aplicación. Además, hasta ahora no ha sido posible establecer la conductividad térmica de un acero, en particular de un acero para trabajo en caliente, de forma específica, y por tanto establecer de una forma definida, a la respectiva aplicación prevista.
Aquí es donde entra la presente invención, proporcionando un acero para herramientas, en particular un acero para trabajo en caliente, así como un objeto de acero, que tienen una conductividad térmica más elevada que la de los aceros para herramientas (en particular los aceros para trabajo en caliente) o los objetos de acero conocidos de la técnica anterior.
Con respecto al acero para herramientas, el problema subyacente a la presente invención se resuelve mediante un acero para herramientas (en particular un acero para trabajo en caliente) con las características de la reivindicación 1. Con respecto al objeto de acero, el problema subyacente a la presente invención se resuelve mediante un objeto de acero con las características de la reivindicación 8. Las sub-reivindicaciones se refieren a otras realizaciones ventajosas de la invención.
Un proceso para establecer la conductividad térmica de un acero de acuerdo con la invención, en particular de un acero para trabajo en caliente, se distingue por una estructura interna del acero que se crea metalúrgicamente de manera definida, de modo que los carburos constituyentes del mismo tienen una densidad de electrones y fonones definida y/o la estructura cristalina del mismo tiene una longitud del camino libre medio para el flujo de fonones y electrones que está determinada por defectos del entramado creados específicamente. Una ventaja es que la conductividad térmica de un acero puede ajustarse específicamente al valor deseado mediante la creación metalúrgica de la estructura interna del acero de una manera definida como se ha descrito anteriormente. El proceso es adecuado, por ejemplo, para aceros para herramientas y aceros para trabajo en caliente.
El proceso para establecer, en particular para aumentar, la conductividad térmica de un acero de acuerdo con la invención, en particular un acero para trabajo en caliente, se distingue porque se crea metalúrgicamente una estructura interna del acero de una manera definida, de forma que tenga en sus carburos constituyentes una densidad de electrones y fonones aumentada y/o que tenga, como resultado de un bajo contenido de defectos en la estructura cristalina de los carburos y de la matriz metálica que los rodea, una longitud del camino libre medio para el flujo de fonones y electrones aumentada. Esta medida permite establecer la conductividad térmica de un acero de forma definida de acuerdo con la invención, en comparación con los aceros conocidos de la técnica anterior, y aumentarla significativamente, en particular en comparación con los aceros para trabajo en caliente conocidos.
En una realización preferida, la conductividad térmica del acero a temperatura ambiente se puede establecer en más de 42 W/mK, preferentemente en más de 48 W/mK, en particular en más de 55 W/mK.
De acuerdo con la reivindicación 1, el acero de acuerdo con la invención, en particular un acero para trabajo en caliente, se distingue por la siguiente composición:
0,26 a 0,55% en peso de C, o 0,25 a 1% en peso de C y N y B en total;
< 2% en peso de Cr;
0,5 a 10% en peso de Mo;
0 a 15% en peso de W;
en donde el contenido de W y Mo es del 1,8 al 15% en peso en total;
elementos formadores de carburos Ti, Zr, Hf, Nb, Ta con un contenido de 0 a 3% en peso individualmente o en total;
0 a 4% en peso de V;
0 a 6% en peso de Co;
0 a 1,6% en peso de Si;
0 a 2% en peso de Mn;
0 a 2,99% en peso de Ni;
0 a 1% en peso de S;
el resto: hierro e impurezas inevitables, en donde las impurezas inevitables incluyen uno o más de los elementos Cu, P, Bi, Ca, As, Sn o Pb con un contenido de no más del 1% en peso, individualmente o en total,
caracterizado porque el acero para herramientas tiene una conductividad térmica a temperatura ambiente de más de 42 W/mK, preferentemente de más de 48 W/mK, en particular de más de 55 W/mK.
Dado que se ha demostrado que el carbono puede ser sustituido, al menos parcialmente, por los denominados componentes equivalentes al carbono, el nitrógeno (N) y el boro (B), un acero para herramientas, en particular un acero para trabajo en caliente, con las características de la reivindicación 1, que tiene las composiciones químicas que se presentan a continuación, proporciona una solución equivalente al problema subyacente a la presente invención.
La ventaja particular de los aceros para herramientas de acuerdo con la invención consiste principalmente en el aumento drástico de la conductividad térmica en comparación con los aceros para herramientas y los aceros para trabajo en caliente conocidos de la técnica anterior. Queda claro que, junto con el hierro como componente principal, el acero para herramientas de acuerdo con la invención contiene los elementos C (respectivamente C y N y B), Cr, Mo y W en los rangos indicados anteriormente, así como impurezas inevitables. Los elementos de aleación restantes (elementos de aleación acompañantes) son, por tanto, componentes opcionales del acero para herramientas, ya que su contenido puede ser también del 0% en peso.
Un aspecto esencial de la solución descrita aquí es mantener el carbono, y preferentemente también el cromo, en solución sólida, en gran medida fuera de la matriz del acero y sustituir los carburos de Fe3C por carburos con una conductividad térmica más elevada. El cromo sólo se puede mantener fuera de la matriz si no está presente. El carbono puede unirse con formadores de carburos en particular, en los que el Mo y el W son los elementos menos caros y, ambos como elementos y como carburos, tienen una conductividad térmica comparativamente alta.
Los modelos de simulación mecánico-cuántica para los aceros para herramientas, y en particular para los aceros para trabajo en caliente, pueden mostrar que el carbono y el cromo en solución sólida conducen a una distorsión de la matriz, lo que resulta en un acortamiento de la longitud del camino libre medio de los fonones. La consecuencia es un mayor módulo de elasticidad y un mayor coeficiente de expansión térmica. También se ha investigado la influencia del carbono en la dispersión de electrones y fonones con la ayuda de modelos de simulación adecuados. Por consiguiente, se han podido comprobar las ventajas de una matriz empobrecida en carbono y cromo para aumentar la conductividad térmica. Mientras que la conductividad térmica de la matriz está dominada por el flujo de electrones, la conductividad de los carburos está determinada por los fonones. En el estado de solución sólida, el cromo tiene un efecto muy negativo en la conductividad térmica conseguida por el flujo de electrones.
Los aceros para herramientas de acuerdo con la invención (en particular los aceros para trabajo en caliente) tienen una conductividad térmica a temperatura ambiente de más de 42 W/mK, preferentemente una conductividad térmica de más de 48 W/mK, en particular una conductividad térmica de más de 55 W/mK. Sorprendentemente, se ha demostrado que pueden alcanzarse conductividades térmicas del orden de más de 50, en particular de unos 55 a 60 W/mK e incluso superiores. La conductividad térmica del acero para trabajo en caliente de acuerdo con la invención puede ser, por tanto, casi dos veces mayor que la de los aceros para trabajo en caliente conocidos de la técnica anterior. Esto hace que el acero descrito aquí sea especialmente adecuado para aplicaciones en las que se requiere una alta conductividad térmica. La ventaja particular del acero para herramientas de acuerdo con la invención, en comparación con las soluciones conocidas de la técnica anterior, es que la conductividad térmica se mejora drásticamente.
Opcionalmente, el acero para herramientas puede contener los elementos formadores de carburo Ti, Zr, Hf, Nb, Ta en una fracción de hasta el 3% en peso individualmente o en total, los elementos Ti, Zr, Hf, Nb, Ta son conocidos en metalurgia como formadores fuertes de carburos. Se ha demostrado que los formadores de carburos fuertes tienen efectos positivos con respecto al aumento de la conductividad térmica del acero para herramientas, ya que tienen una mayor capacidad para eliminar el carbono en estado de solución sólida de la matriz. Los carburos con una alta conductividad térmica pueden aumentar aún más la conductividad del acero para herramientas. Se sabe por la metalurgia que los siguientes elementos son formadores de carburos, con su afinidad por el carbono ordenada de forma creciente como sigue: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr, Hf.
En este contexto resulta especialmente ventajosa la generación de carburos relativamente grandes y, por tanto, alargados, ya que la conductividad térmica global del acero para herramientas sigue una ley de mezcla con efectos límite negativos. Cuanto mayor sea la afinidad de un elemento por el carbono, mayor será la tendencia a formar carburos primarios relativamente grandes. Sin embargo, los carburos grandes tienen, hasta cierto punto, un efecto desfavorable sobre algunas de las propiedades mecánicas del acero para herramientas, en particular su tenacidad, por lo que hay que encontrar un compromiso adecuado entre las propiedades mecánicas y térmicas deseadas para cada uso previsto del acero para herramientas.
Opcionalmente, el acero para herramientas puede contener vanadio como elemento de aleación con un contenido de hasta el 4% en peso. Como ya se ha explicado anteriormente, el vanadio establece redes de carburos finas. Esto puede mejorar numerosas propiedades mecánicas del acero para herramientas para algunas aplicaciones previstas. Comparado con el molibdeno, el vanadio se distingue no sólo por su mayor afinidad por el carbono, sino que también tiene la ventaja de que sus carburos tienen una mayor conductividad térmica. Además, el vanadio es un elemento comparativamente barato. Sin embargo, una desventaja del vanadio en comparación con el molibdeno es que el vanadio que permanece en estado de solución sólida ejerce un efecto negativo considerablemente mayor sobre la conductividad térmica del acero para herramientas. Por esta razón, no es ventajoso alear el acero para herramientas sólo con vanadio.
Opcionalmente, el acero para herramientas puede contener uno o más elementos para endurecimiento por solución sólida, en particular Co, Ni, Si y/o Mn. Así, existe la posibilidad de que el acero para herramientas tenga un contenido de Mn de hasta el 2% en peso. Para mejorar la resistencia a las altas temperaturas del acero para herramientas, puede ser ventajoso un contenido de Co de hasta el 6% en peso, por ejemplo, dependiendo de la aplicación específica. En otra realización preferida, el acero para herramientas puede tener un contenido de Co de hasta el 3% en peso, preferentemente hasta el 2% en peso.
Para aumentar la tenacidad del acero para herramientas a bajas temperaturas, puede preverse opcionalmente que el acero para trabajo en caliente tenga un contenido de Si de hasta el 1,6% en peso.
Para mejorar la procesabilidad del acero para herramientas, el acero para herramientas puede contener opcionalmente azufre S con un contenido de hasta el 1% en peso.
Para facilitar la comprensión básica de la presente invención, a continuación, se explicarán con más detalle algunos aspectos esenciales de la nueva estrategia de diseño metalúrgico para los aceros para herramientas con alta conductividad térmica (aceros para trabajo en caliente).
Para una sección transversal dada a través de una muestra preparada metalograficamente de un acero para herramientas, que se representa esquemáticamente en la FIG. 1, es posible, mediante técnicas de análisis de imágenes ópticas, cuando se examina la microestructura bajo un microscopio óptico o electrónico de barrido, determinar cuantitativamente las fracciones de área de los carburos Ac y del material de la matriz Am. Los carburos de gran superficie se denominan por tanto carburos primarios 1 y los carburos de pequeña superficie, carburos secundarios 2. El material de la matriz representado en el fondo se identifica en la FIG. 1 con la referencia 3.
Ignorando otros componentes de la microestructura (por ejemplo, las inclusiones), el contenido del área de la superficie total Atot del acero para herramientas puede determinarse con buena aproximación mediante la siguiente ecuación:
Atot — Am + Ac
Mediante una simple reformulación matemática, se obtiene la siguiente ecuación;
(Am / Atot) (Ac / Atot) — 1
Los sumandos de estas ecuaciones son adecuados como factores de ponderación para un enfoque de reglas de mezcla.
Por lo tanto, si ahora se supone que el material de la matriz 3 y los carburos 1, 2 tienen propiedades diferentes en cuanto a su conductividad térmica, la conductividad térmica integral total X¡nt de este sistema puede describirse sobre la base de dicha regla de mezcla como sigue:
Xin t _ (Am / Ato t) * Xm + (Ac / Ato t) * Xc
Xm es en este caso la conductividad térmica del material de la matriz 3 y Xc es la conductividad térmica de los carburos 1, 2.
Esta formulación representa sin duda una visión simplificada del sistema, pero sin embargo es bastante adecuada para la comprensión fenomenológica de la presente invención.
Un modelado matemático más realista de la conductividad térmica integral del sistema global puede realizarse, por ejemplo, aplicando las llamadas Teorías de los Medios Efectivos (TME). Con este enfoque, la composición microestructural del acero para herramientas se describe como un sistema compuesto formado por elementos estructurales esféricos individuales, que representan las propiedades de los carburos, con una conductividad térmica isotrópica, que están embebidos en el material de la matriz con una conductividad térmica diferente, pero igualmente isotrópica:
X int = X m + fc * X int * (3* ( X c - X m ) / (2 * Xint + X c )
En esta ecuación, fc describe la fracción en volumen de los carburos 1,2.
Sin embargo, esta ecuación no tiene una solución única y, por tanto, sólo puede utilizarse de forma limitada para el diseño de un sistema específico. Si el objetivo es maximizar la conductividad térmica del sistema X in t, las reglas de mezcla formuladas anteriormente pueden utilizarse, en principio, para comprobar que dicha maximización de la conductividad térmica del sistema Xin t puede lograrse si las conductividades térmicas de los componentes individuales del sistema Xc y Xm se maximizan con éxito.
Para la presente invención, en este caso es de particular importancia que la fracción de volumen de los carburos fc determine en última instancia cuál de las dos conductividades térmicas Xc y Xm es más relevante.
La cantidad de carburos viene definida en última instancia por los requisitos específicos de la aplicación en cuanto a la resistencia mecánica, y en particular a la resistencia al desgaste, del acero para herramientas. Así pues, en particular en lo que respecta a la estructura de los carburos, existen con toda seguridad especificaciones de diseño diferentes para los distintos ámbitos de aplicación principales de los aceros para herramientas desarrollados de acuerdo con la invención.
En el área de fundición de aluminio, la carga de desgaste debido a los mecanismos de desgaste relacionados con el contacto, en particular debido a la abrasión, es solo relativamente baja. Por lo tanto, la presencia de carburos primarios de gran superficie como constituyentes de la microestructura altamente resistentes al desgaste no es absolutamente necesaria. Así, la fracción en volumen de los carburos fc viene determinada principalmente por los carburos secundarios. La cantidad de fc es, por tanto, relativamente pequeña.
En el conformado de chapa en caliente, que también comprende la variante terminológica de estampación en caliente y endurecimiento por conformado, las herramientas están sometidas a elevadas cargas causadas por mecanismos de desgaste inducidos por el contacto en forma adhesiva y abrasiva. Por lo tanto, los carburos primarios de gran superficie son totalmente deseables, ya que pueden aumentar la resistencia a estos mecanismos de desgaste. La consecuencia de dicha microestructura rica en carburos primarios es una gran cantidad de fc .
Independientemente de la estructura del carburo, el objetivo final es maximizar la conductividad térmica de todos los componentes del sistema. Sin embargo, a partir de las especificaciones de diseño concretas de la aplicación para las características del carburo, resulta una ponderación de la influencia de las conductividades térmicas de los componentes del sistema sobre la conductividad térmica integral del sistema global.
Este enfoque por sí solo difiere drásticamente de la técnica anterior, en la que la conductividad térmica se considera siempre una propiedad física integral de un material. Siempre que la técnica anterior se ocupa de establecer la influencia de los elementos de aleación individuales en la conductividad térmica, esto se hace, por consiguiente, sólo mediante la determinación de las propiedades integrales. La consideración de la influencia de dichos elementos de aleación en las características microestructurales, es decir, en la estructura de los carburos y la matriz, y los cambios resultantes en las propiedades físicas de estos elementos en el sistema microestructural no existían anteriormente y, por lo tanto, tampoco ha sido nunca el punto de partida de un concepto de diseño metalúrgico para un acero para herramientas en la técnica anterior.
Bajo tales aspectos de diseño integral, se pudo determinar que la reducción del contenido de cromo y el aumento del contenido de molibdeno conducen a una mejora de la conductividad térmica integral. Los aceros para herramientas desarrollados sobre la base de tal teoría de diseño metalúrgico suelen tener una conductividad térmica de 30 W/mK, que, comparada con una conductividad térmica de 24W/mK, representa un aumento del 25%. Este aumento ya se considera en la técnica anterior como una mejora efectiva de esta propiedad.
Hasta ahora se ha asumido que una mayor reducción del contenido de cromo no puede conducir a una mejora significativa de la conductividad térmica. Dado que una mayor reducción del contenido de cromo conduce además a una disminución de la resistencia a la corrosión del acero para trabajo en caliente, las formulaciones metalúrgicas correspondientes no se han seguido investigando ni aplicando en lo que respecta al diseño de nuevos aceros para herramientas.
Para los aceros para herramientas de acuerdo con la invención, se aplicó un concepto metalúrgico completamente nuevo para lograr una conductividad térmica drásticamente mejorada, que es capaz de establecer la conductividad térmica de los componentes del sistema microestructural de una manera definida de forma precisa, y en consecuencia mejorar drásticamente la conductividad térmica integral del acero para herramientas. Una idea básica importante del concepto metalúrgico que se presenta aquí es que los formadores de carburos preferidos son el molibdeno y el tungsteno y que las propiedades de transferencia de calor se ven afectadas negativamente incluso por pequeñas fracciones de cromo disueltas en estos carburos, como consecuencia del alargamiento de la longitud del camino libre medio de los fonones, causado por los defectos que se producen en consecuencia en la estructura cristalina de los carburos puros.
Con este nuevo enfoque de diseño metalúrgico, se pueden conseguir de forma ventajosa conductividades térmicas integrales a temperatura ambiente de hasta 66 W/mK y más en los aceros para trabajo en caliente. Esto supera unas diez veces la tasa de aumento de todos los conceptos conocidos de la técnica anterior. Ninguno de los enfoques que pueden encontrarse en la técnica anterior proporciona una reducción comparable del contenido de cromo en los aceros para trabajo en caliente con el objetivo de mejorar la conductividad térmica.
Para aquellos casos en los que se proporciona un contenido de cromo bajo, similar a la composición química descrita de acuerdo con la invención, el objetivo explícito no es influir en la conductividad térmica, sino lograr otros objetivos funcionales, como por ejemplo en JP 04147706 A para lograr la formación específica de una capa de oxidación en la superficie del acero para reducir la resistencia a la oxidación en esta zona.
En la técnica anterior, se sabe que cuanto mayor es la pureza de un material, mayor es su conductividad térmica. Cualquier impureza -es decir, en el caso de los materiales metálicos también la adición de cualquier elemento de aleación- conduce inevitablemente a una reducción de la conductividad térmica. Por ejemplo, el hierro puro tiene una conductividad térmica de 80 W/mK, el hierro ligeramente contaminado ya tiene una conductividad térmica inferior a 70 W/mK. Incluso la más mínima adición de carbono (0,25 por ciento en volumen) y otros elementos de aleación, como por ejemplo el manganeso (0,08 por ciento en volumen), da como resultado una conductividad térmica de sólo 60 W/mK en el caso del acero.
Sin embargo, con el procedimiento de acuerdo con la invención, es sorprendentemente posible lograr conductividades térmicas de hasta 70 W/mK a pesar de la adición de otros elementos de aleación, como por ejemplo el molibdeno o el tungsteno. La razón de este efecto inesperado es que un objetivo de la invención es no permitir, en la medida de lo posible, que el carbono entre en solución en la matriz, sino unirlo en los carburos mediante formadores fuertes de carburos y utilizar carburos con una alta conductividad térmica.
Si la consideración se concentra, pues, en los carburos, es la conductividad de los fonones la que finalmente domina la conductividad térmica. Si se pretende mejorar esta última, es precisamente aquí donde hay que intervenir de forma creativa. Sin embargo, algunos carburos tienen una densidad de electrones conductores bastante elevada, en particular los carburos de alto punto de fusión con un alto contenido en metales, como por ejemplo el W6C o el Mo3C. En investigaciones recientes, se ha descubierto que incluso adiciones muy pequeñas de cromo a este tipo de carburos conducen a defectos significativos en la estructura de la red cristalina y, en consecuencia, a un alargamiento drástico de la longitud del camino libre medio para el flujo de fonones. El resultado es una reducción de la conductividad térmica. Esto lleva a la conclusión clara de que la mayor reducción posible del contenido de cromo conduce a una mejora de la conductividad térmica del acero para herramientas.
Además, el molibdeno y el tungsteno deben tenerse en cuenta como formadores de carburos preferidos. El molibdeno es particularmente preferido en este contexto, ya que es un formador de carburos mucho más fuerte que el tungsteno. El efecto del empobrecimiento de molibdeno en la matriz aporta una mejora de la conductividad de los electrones en la matriz y, en consecuencia, contribuye a una mejora adicional de la conductividad térmica integral en el sistema global.
Como ya se ha mencionado anteriormente, un contenido de cromo demasiado bajo conduce al mismo tiempo a una disminución de la resistencia a la corrosión del acero para herramientas. Aunque esto puede ser desfavorable para ciertas aplicaciones, una mayor tendencia a la oxidación no representa ninguna desventaja funcional real para las principales aplicaciones del acero para herramientas diseñado de acuerdo con la invención, ya que, en cualquier caso, los efectos y las medidas de protección contra la corrosión, forman parte de los procesos operativos que existen aquí.
Así, por ejemplo, en el caso de las aplicaciones de fundición de aluminio, el propio aluminio líquido representa una protección suficiente contra la corrosión; en el área de conformación en caliente de la chapa, son las capas superficiales de las aristas de las herramientas las están nitruradas para protegerlas contra el desgaste. Los lubricantes que protegen de la corrosión, así como los refrigerantes y los agentes desmoldantes, también contribuyen a la protección contra la corrosión. Además, se pueden aplicar capas protectoras muy finas mediante procesos de galvanoplastia o revestimiento al vacío.
El uso de acuerdo con la invención de los aceros para herramientas aquí descritos (en particular los aceros para trabajo en caliente) como materiales para producir objetos de acero, en particular herramientas para trabajo en caliente, proporciona numerosas ventajas, y que en algunos casos son extremadamente notables, en comparación con los aceros para trabajo en caliente conocidos del estado del arte, que se han utilizado con anterioridad como materiales para los correspondientes objetos de acero para trabajo en caliente.
La mayor conductividad térmica de las herramientas fabricadas con los aceros para herramientas de acuerdo con la invención (en particular los aceros para trabajo en caliente) permite, por ejemplo, reducir los tiempos de ciclo al trabajar/producir piezas. Otra ventaja es la reducción significativa de la temperatura de la superficie de la herramienta y la reducción del gradiente de temperatura de la superficie, lo que tiene un efecto significativo en la durabilidad de la herramienta. Este es el caso, en particular, cuando los daños de la herramienta se pueden atribuir principalmente a la fatiga térmica, a los choques térmicos o a la soldadura por acumulación. Este es el caso, en particular, de las herramientas para aplicaciones de fundición de aluminio.
Es también sorprendente, que las demás propiedades mecánicas y/o térmicas de los aceros para herramientas de acuerdo con la invención (en particular, de los aceros para herramientas de trabajo en caliente) puedan mejorarse o, al menos, permanecer sin cambios cuando se comparan con las de los aceros para herramientas conocidos de la técnica anterior. Para algunas aplicaciones, se pueden conseguir mejoras adicionales, como por ejemplo, una mayor resistencia mecánica a altas temperaturas o una mayor resistencia al desgaste.
En una realización preferida, se propone que el acero para herramientas tenga menos del 1,5% en peso de Cr, preferentemente menos del 1% en peso de Cr. En una realización particularmente preferida, existe la posibilidad de que el acero para herramientas tenga menos del 0,5% en peso de Cr, preferentemente menos del 0,2, en particular menos del 0,1% en peso de Cr.
Como se ha explicado anteriormente, la presencia de cromo en estado de solución sólida en la matriz del acero para herramientas tiene efectos negativos sobre su conductividad térmica. La intensidad de este efecto adverso sobre la conductividad térmica causado por un aumento del contenido de cromo en el acero para herramientas es mayor para el intervalo de menos de 0,4% en peso de Cr. Se prefiere una graduación en intervalos de la disminución de la intensidad del efecto adverso sobre la conductividad térmica del acero para herramientas en los dos intervalos de más del 0,4% en peso, pero menos del 1% en peso y más del 1% en peso, pero menos del 2% en peso. Para las aplicaciones en las que la resistencia a la oxidación del acero para herramientas (acero para trabajo en caliente) desempeña un papel importante, es posible, por ejemplo, ponderar los requisitos que se esperan del acero para herramientas con respecto a la conductividad térmica y la resistencia a la oxidación y que se reflejan en una fracción de cromo optimizada como porcentaje en peso. Por lo general, un contenido de cromo de aproximadamente el 0,8% en peso proporciona al acero para herramientas una buena protección contra la corrosión. Se ha comprobado que las adiciones que superan este contenido de cromo de aproximadamente el 0,8% en peso pueden dar lugar a una disolución no deseada del cromo en los carburos.
En una realización preferida, es posible que el contenido de molibdeno del acero para herramientas sea del 0,5 al 7% en peso, en particular del 1 al 7% en peso. Entre los formadores de carburo menos costosos, el molibdeno tiene una afinidad comparativamente alta por el carbono. Además, los carburos de molibdeno tienen una mayor conductividad térmica que los carburos de hierro y los carburos de cromo. Además, el efecto adverso del molibdeno en estado de solución sólida sobre la conductividad térmica del acero para herramientas es considerablemente menor en comparación con el cromo en estado de solución sólida. Por estas razones, el molibdeno se encuentra entre los formadores de carburos que son adecuados para un gran número de aplicaciones. Sin embargo, para las aplicaciones que requieren una alta tenacidad, la opción más ventajosa son otros formadores de carburo con carburos secundarios más pequeños, como por ejemplo el vanadio (colonias con un tamaño de aproximadamente 1 a 15 nm frente a las colonias del molibdeno de hasta 200nm de tamaño).
En numerosas aplicaciones, el molibdeno puede ser sustituido por el tungsteno. La afinidad del tungsteno por el carbono es algo menor y la conductividad térmica del carburo de tungsteno es considerablemente mayor.
En otra realización particularmente preferida, es posible que el contenido de Mo, W y V en total sea del 2 al 10% en peso. El contenido de estos tres elementos en total depende, en este caso, en particular del número de carburos que se desee, es decir, de los requisitos de aplicación correspondiente.
Las impurezas del acero para herramientas, en particular del acero para trabajo en caliente, pueden incluir uno o más de los elementos Cu, P, Bi, Ca, As, Sn o Pb, con un contenido máximo del 1% en peso individualmente o en total. El Cu, en particular, junto con el Co, el Ni, el Si y el Mn, es otro elemento adecuado para el refuerzo de la solución sólida, por lo que puede ser ventajoso tener al menos una pequeña fracción de Cu en la aleación. Junto con el S, que puede estar presente opcionalmente con un contenido máximo del 1% en peso, los elementos Ca, Bi o As también pueden facilitar la procesabilidad del acero para herramientas.
La estabilidad mecánica del acero para herramientas a altas temperaturas por los aleantes que forman carburos también es importante. En este contexto, por ejemplo, tanto los carburos de Mo como los de W son más ventajosos con respecto a la estabilidad mecánica y las propiedades de resistencia que los carburos de cromo y de hierro. El empobrecimiento en cromo junto con la reducción del contenido de carbono en la matriz conduce a una mejora de la conductividad térmica, en particular si esto está provocado por carburos de tungsteno y/o molibdeno.
Los procesos mediante los cuales se producen los aceros para herramientas que se presentan aquí (en particular, los aceros para trabajo en caliente) también desempeñan un papel importante en las propiedades térmicas y mecánicas de los mismos. Mediante una elección específica del proceso de producción, las propiedades mecánicas y/o térmicas del acero para herramientas pueden variar específicamente y, como resultado, adaptarse al respectivo uso previsto.
Los aceros para herramientas descritos dentro del alcance de la presente invención se pueden producir, por ejemplo, mediante pulvimetalurgia (prensado isostático en caliente). También existe, por ejemplo, la posibilidad de producir un acero para herramientas de acuerdo con la invención mediante fusión por inducción al vacío o mediante fusión en horno. Sorprendentemente, se ha descubierto que el proceso de producción elegido puede influir en el tamaño de los carburos resultantes, lo que por su parte -como ya se ha explicado anteriormente- puede tener efectos sobre la conductividad térmica y sobre las propiedades mecánicas del acero para herramientas.
El acero para herramientas también puede refinarse mediante procesos de refino conocidos per se, como por ejemplo mediante procesos VAR (VAR=refundido en horno de arco al vacío, procesos AOD (AOD= descarburización con oxígeno y argón) o lo que se conoce como procesos ESR (ESR=refundido por electroescoria).
Del mismo modo, un acero para herramientas de acuerdo con la invención puede producirse, por ejemplo, mediante fundición en arena o fundición a cera perdida. Puede producirse mediante prensado en caliente o algún otro proceso pulvimetalúrgico (sinterización, prensado en frío, prensado isostático) y, en el caso de todos estos procesos de producción, con o sin la aplicación de procesos termo-mecánicos (forja, laminado, extrusión por prensado). Incluso se pueden utilizar métodos de producción menos convencionales, como la fundición en estado semisólido, la aplicación de plasma o láser y la sinterización local. Para poder producir objetos con una composición cambiante dentro del volumen a partir del acero para herramientas, puede utilizarse también de forma ventajosa la sinterización de mezclas de polvos.
El acero desarrollado en el ámbito de la presente invención puede utilizarse también como relleno de soldadura (por ejemplo, en forma de polvo para la soldadura por láser, como varilla o perfil para la soldadura de metal por gas inerte (soldadura MIG), la soldadura de metal con gases activos (soldadura MAG), la soldadura de gas inerte de tungsteno (soldadura TIG) o para la soldadura con electrodos revestidos).
De acuerdo con la reivindicación 7, se propone un uso de un acero para herramientas, en particular de un acero para trabajo en caliente, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, como material para producir un objeto de acero para trabajo en caliente, en particular una herramienta para trabajo en caliente, que tiene una conductividad térmica a temperatura ambiente de más de 42 W/mK, preferentemente una conductividad térmica de más de 48 W/mK, en particular una conductividad térmica de más de 55 W/mK.
Un objeto de acero de acuerdo con la invención se distingue por las características de la reivindicación 8 y consiste al menos parcialmente en un acero para herramientas, en particular en un acero para trabajo en caliente, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
En una realización ventajosa, es posible que el objeto de acero tenga una conductividad térmica esencialmente constante en todo su volumen. En particular, en esta realización, el objeto de acero puede consistir en su totalidad en un acero para herramientas, en particular en un acero para trabajo en caliente, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
En una realización particularmente preferida, se puede establecer que el objeto de acero tenga, al menos en partes del mismo, una conductividad térmica cambiante.
De acuerdo con una realización particularmente ventajosa, el objeto de acero puede tener, al menos en algunas partes del mismo, una conductividad térmica a temperatura ambiente de más de 42 W/mK, preferentemente una conductividad térmica de más de 48 W/mK, en particular una conductividad térmica de más de 55 W/mK. El objeto de acero también puede tener en todo su volumen una conductividad térmica a temperatura ambiente superior a 42 W/mK, preferentemente una conductividad térmica superior a 48 W/mK, en particular una conductividad térmica superior a 55 W/mK.
En realizaciones ventajosas, el objeto de acero puede ser, por ejemplo, una herramienta de conformado en procesos de conformado a presión, cizalladura, doblado de metales, preferentemente en procesos de forja libre, forja en estado semisólido, extrusión o procesos de extrusión de prensa, doblado con matriz, conformado por laminado, laminado de perfiles planos, laminado de perfiles y laminado de fundición.
En otras realizaciones ventajosas, el objeto de acero puede ser una herramienta de conformado en procesos de conformado por tracción-compresión y de conformado por tensión de metales, preferentemente en procesos de estampación en caliente, procesos de conformado por endurecimiento, procesos de embutición profunda, procesos de embutición por estiramiento y procesos de repulsado de agujeros.
En otras realizaciones preferidas, el objeto de acero puede ser, por ejemplo, una herramienta de conformado en procesos de conformado primario de materiales de partida principalmente metálicos, preferentemente en procesos de fundición, inyección a presión asistida por vacío, fundición en estado semisólido, procesos de fundición-laminado, procesos de sinterización y prensado isostático en caliente.
Además, es posible que el objeto de acero sea un material de conformado en procesos de conformado primario de materiales principalmente poliméricos, preferentemente en procesos de moldeo por inyección, procesos de extrusión y procesos de extrusión-soplado o una herramienta de moldeo en procesos de conformado primario de materiales principalmente cerámicos, preferentemente en procesos de sinterizado.
En otra realización preferida, el objeto de acero puede ser un componente para máquinas e instalaciones de generación de energía y conversión de energía, preferentemente para motores de combustión interna, reactores, intercambiadores de calor y generadores.
Además, es posible que el objeto de acero sea un componente para maquinas e instalaciones para ingeniería de procesos químicos, preferentemente para reactores químicos.
Otras características y ventajas de la presente invención se muestran claramente en la siguiente descripción de ejemplos preferidos con referencia a las figuras adjuntas, en las que
FIG. 1 muestra una representación esquemática muy simplificada del contorno de una estructura de carburo en la sección transversal de la microestructura de un acero para herramientas típico;
FIG. 2 muestra la resistencia a la abrasión de dos muestras (F1 y F5) de un acero para trabajo en caliente de acuerdo con la presente invención comparado con aceros para herramientas convencionales;
FIG. 3 muestra la dependencia de la conductividad térmica del contenido de cromo de los aceros para herramientas de acuerdo con la invención (aceros para trabajo en caliente), apropiados para su uso en procesos de conformado en caliente;
FIG. 4 muestra la dependencia de la conductividad térmica del contenido de cromo para otra selección de aceros para herramientas de acuerdo con la presente invención;
FIG. 5 muestra una representación de la extracción de calor conseguida en una pieza precalentada mediante conducción de calor en contacto entre dos placas de acero para herramientas.
A modo de introducción, se describirán con más detalle cinco ejemplos de aceros para herramientas (aceros para trabajo en caliente) adecuados para diferentes usos pretendidos.
Ejemplo 1
Se ha demostrado que el uso de un acero para trabajo en caliente con la siguiente composición 15 es especialmente ventajosa para la fabricación de herramientas (objetos de acero para trabajo en caliente) que se utilizan para el conformado en caliente (estampación en caliente) de chapa de acero:
0,32 a 0,5% en peso de C;
menos del 1% en peso de Cr;
0 a 4% en peso de V;
0,5 a 10% en peso, en particular de 3 a 7% en peso de Mo;
0 a 15% en peso, en particular de 2 a 8% en peso de W;
en donde el contenido de Mo y W en total es del 5 al 15% en peso.
Además, el acero para trabajo en caliente contiene impurezas inevitables y hierro como constituyente principal.
Opcionalmente, el acero para trabajo en caliente puede contener formadores de carburos fuertes, como por ejemplo Ti, Zr, Hf, Nb, Ta con un contenido de hasta el 3% en peso individualmente o en total, En el caso de esta aplicación, la resistencia a la abrasión de la herramienta producida a partir del acero para trabajo en caliente desempeña un papel especialmente importante. El volumen de los carburos primarios formados debe, por tanto, ser lo más grande posible.
Ejemplo 2
La fundición de aluminio es un mercado muy importante hoy en día, en el que las propiedades de los aceros para trabajo en caliente que se emplean para producir las herramientas desempeñan un papel importante para determinar la competitividad. Las propiedades mecánicas a altas temperaturas del acero para trabajo en caliente que se emplea para fabricar un molde de fundición son aquí de especial importancia. En este caso, la ventaja de una mayor conductividad térmica es especialmente importante, ya que no sólo permite reducir el tiempo del ciclo, sino también la temperatura de la superficie de la herramienta y el gradiente de temperatura en la herramienta. Los efectos positivos sobre la durabilidad de las herramientas son de una magnitud considerable. En aplicaciones de fundición, en particular con respecto a la fundición de aluminio, el uso de un acero para trabajo en caliente como material para hacer la herramienta correspondiente con la siguiente composición es especialmente ventajoso:
0,3 a 0,42% en peso de C;
menos del 2% en peso, en particular menos del 1% en peso de Cr;
0,5 a 6% en peso, en particular de 2,5 a 4,5% en peso de Mo;
0 a 6% en peso, en particular de 1 a 2,5% en peso de W;
en donde el contenido de Mo y W en total es del 3,2 al 5,5% en peso;
0 a 1,5% en peso, en particular de 0 a 1% en peso de V.
Además, el acero para trabajo en caliente contiene hierro (como constituyente principal) e impurezas inevitables. Opcionalmente, el acero para trabajo en caliente puede contener formadores de carburos fuertes, como por ejemplo Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, con un contenido de hasta el 3% en peso individualmente o en total.
En las aplicaciones de fundición de aluminio, el Fe3C no debe estar presente en la medida de lo posible. En este caso, los elementos preferidos como sustitutos del Fe3C son el Cr y el V con adiciones de Mo y W. Sin embargo, es preferible que el Cr también sea sustituido por Mo y/o W. El W y/o el Mo también pueden utilizarse en algunas aplicaciones para sustituir al vanadio, preferentemente en su totalidad, pero al menos parcialmente. Alternativamente, también se pueden utilizar formadores de carburo más fuertes, como por ejemplo Ti, Zr, Hf, Nb o Ta. La elección de los formadores de carburo y de sus fracciones depende, una vez más, de la aplicación real y de los requisitos con respecto a las propiedades térmicas y/o mecánicas de la herramienta fabricada con el acero para trabajo en caliente.
Ejemplo 3
En la fundición de aleaciones con un punto de fusión comparativamente alto, resulta ventajosa la utilización de un acero para trabajo en caliente con la siguiente composición para fabricar la herramienta correspondiente:
0,25 a 0,4% en peso de C;
menos del 2% en peso, en particular menos del 1% en peso de Cr;
0,5 a 5% en peso, en particular de 2,5 a 4,5% en peso de Mo;
0 a 5% en peso, en particular de 0 al 3% en peso de W;
en donde el contenido de Mo y W en total es del 3 al 5,2% en peso;
0 a 1% en peso, en particular de 0 a 0,6% en peso de V.
Además, el acero para trabajo en caliente contiene impurezas inevitables, así como hierro como componente principal. Opcionalmente, el acero para trabajo en caliente puede contener formadores fuertes de carburos, como por ejemplo Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, con un contenido de hasta el 3% en peso individualmente o en total. En esta aplicación se requiere una mayor tenacidad del acero para trabajo en caliente, por lo que los carburos primarios deben suprimirse lo más completamente posible; y, por tanto, son más ventajosos los formadores de carburos estables.
Ejemplo 4
En el moldeo por inyección de plásticos y en la fundición de aleaciones con un punto de fusión relativamente bajo, resulta especialmente ventajoso el uso de un acero para trabajo en caliente, para producir la herramienta correspondiente, con la siguiente composición:
0,4 a 0,55% en peso de C;
menos del 2% en peso, en particular menos del 1% en peso de Cr;
0,5 a 4% en peso, en particular de 0,5 a 2% en peso de Mo;
0 a 4% en peso, en particular de 0 a 1,5% en peso de W;
en donde el contenido de Mo y W en total es del 2 al 4% en peso;
0 a 1,5% en peso de V.
Además, el acero para trabajo en caliente contiene hierro como constituyente principal, así como impurezas inevitables. Opcionalmente, el acero para trabajo en caliente puede contener formadores de carburos fuertes, como Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, con un contenido de hasta el 3% en peso individualmente o en total. En estas áreas de aplicación, la fracción de vanadio debe mantenerse lo más baja posible. Preferentemente, el contenido de vanadio del acero para trabajo en caliente puede ser menos del 1% en peso, y en particular menos del 0,5% en peso, y en una realización particularmente preferida menos del 0,25% en peso.
Los requisitos relativos a las propiedades mecánicas de las herramientas son relativamente bajos en el caso del moldeo por inyección. Normalmente, una resistencia mecánica de aproximadamente 1500 MPa es suficiente. Sin embargo, una mayor conductividad térmica permite acortar los tiempos de los ciclos de producción de las piezas moldeadas por inyección, por lo que se pueden reducir los costes de producción de las piezas moldeadas por inyección.
Ejemplo 5
En la forja en caliente, es especialmente ventajoso utilizar un acero de trabajo en caliente que tenga la siguiente composición para fabricar la herramienta correspondiente:
0,4% a 0,55% en peso de C;
menos del 1% en peso de Cr;
0,5 a 10% en peso, en particular de 3 a 5% en peso de Mo;
0 a 7% en peso, en particular de 2 a 4% en peso de W;
en donde el contenido de Mo y W en total es del 6 al 10% en peso;
0 a 3% en peso, en particular de 0,7 a 1,5% en peso de V.
Además, el acero para trabajo en caliente contiene hierro como constituyente principal e impurezas inevitables. Opcionalmente, el acero para trabajo en caliente puede contener formadores de carburos fuertes, como por ejemplo Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, con una fracción de hasta el 3% en peso individualmente o en total.
En este ejemplo, el acero para trabajo en caliente puede contener ventajosamente elementos para el endurecimiento por solución sólida, en particular Co, pero también Ni, Si, Cu y Mn. En particular, un contenido de Co de hasta el 6% en peso ha demostrado ser ventajoso para mejorar la resistencia a alta temperatura de la herramienta.
Utilizando como ejemplo los aceros de trabajo en caliente descritos aquí, que son adecuados para un gran número de aplicaciones diferentes, es posible conseguir una conductividad térmica que es aproximadamente el doble de la de los aceros de trabajo en caliente conocidos.
En la Tabla 1, se muestran algunas características termoelásticas de cinco muestras que sirven de ejemplo (muestra F1 a muestra F5) de un acero para trabajo en caliente de acuerdo con la presente invención comparadas con las de los aceros para herramientas convencionales. Se puede observar, por ejemplo, que los aceros para trabajo en caliente tienen una densidad mayor que los aceros para herramientas conocidos. Además, los resultados muestran que la conductividad térmica de las muestras de acero para trabajo en caliente de acuerdo con la invención aumenta drásticamente en comparación con la de los aceros para herramientas convencionales.
En la Tabla 2, se recopilan las propiedades mecánicas de dos muestras de acero para trabajo en caliente (muestras F1 y F5) de acuerdo con la presente invención comparadas con los aceros para herramientas convencionales.
En la FIG. 2 se muestra la resistencia a la abrasión de dos muestras (F1 y F5) de un acero para trabajo en caliente comparada con los aceros para herramientas convencionales. La resistencia a la abrasión se determinó en este caso con la ayuda de un pin fabricado con el acero correspondiente y una placa de una chapa USIBOR-1500P. La muestra "1.2344" es en este caso la muestra de referencia (resistencia a la abrasión: 100%). Un material con una resistencia a la abrasión del 200% tiene, por tanto, una resistencia a la abrasión dos veces superior al de la muestra de referencia y, en consecuencia, sólo sufre la mitad de la pérdida de peso durante la realización del procedimiento del ensayo de abrasión. Se puede observar que las muestras de acero para trabajo en caliente de acuerdo con la invención tienen una resistencia a la abrasión muy alta en comparación con la mayoría de los aceros conocidos.
Otros ejemplos preferidos de aceros para herramientas, en particular aceros para trabajo en caliente, de acuerdo con la presente invención y sus propiedades se discuten con más detalle a continuación.
La conductividad térmica y la difusividad térmica son los parámetros termo-físicos más importantes de los materiales para describir las propiedades de transferencia de calor de un material o componente. Para medir de forma precisa la difusividad térmica, se ha establecido la llamada "Técnica de Flash Láser" (LFA) como un método rápido, versátil, absoluto y preciso. Las especificaciones del ensayo correspondientes están establecidas en las normas DIN 30905 y DIN EN 821. Para las presentes medidas se utilizó un LFA 457 MicroFlash® de la empresa NETZSCH-Geratebau GmbH, Wittelsbacherstrasse 42, 95100 Selb/Baviera (Alemania).
A partir de las difusividades térmicas medidas a y del calor específico cp, así como de la densidad p determinada de forma específica para la muestra, se puede determinar muy fácilmente la conductividad térmica X sobre la base de la ecuación de cálculo
X — p * Cp * a
En la FIG. 3, determinada mediante este método, se muestra la dependencia de la conductividad térmica con especto a la fracción en peso de cromo para una selección de aceros para herramientas con la composición química identificada en la Tabla 3 por FC y Fc+xCr respectivamente. En este caso, la composición difiere principalmente en el porcentaje de la fracción en peso del elemento de aleación cromo.
Además del establecer las conductividades térmicas deseadas, posibles de acuerdo con la presente invención, estos aceros tienen una alta resistencia al desgaste abrasivo y adhesivo como resultado de una fracción en volumen comparativamente grande de carburos primarios, y en consecuencia son adecuados para elevadas cargas mecánicas, como ocurre típicamente en los procesos de conformado en caliente.
En la FIG. 4, determinada por el método descrito anteriormente, se muestra la dependencia de la conductividad térmica de la fracción en peso de cromo para una selección de aceros para herramientas con la composición química identificada en la Tabla 4 por FM y FM+xCr respectivamente. En este caso, las composiciones difieren principalmente en el porcentaje de la fracción en peso del elemento de aleación cromo. Estos aceros para herramientas son adecuados, en particular, para su uso en procesos de fundición, ya que se caracterizan por una fracción comparativamente pequeña de carburos primarios.
En la Tabla 5, se resume la composición química de un acero para herramientas F de acuerdo con la invención para la investigación comparativa del comportamiento en el proceso.
En condiciones cercanas al proceso, como las que prevalecen, entre otras cosas, en el conformado de chapa en caliente, mediante una medida pirométrica de la temperatura, fue posible demostrar una eliminación acelerada del calor almacenado en la pieza como resultado del precalentamiento, para un acero para herramientas que tiene la composición química identificada en la Tabla 5 como F comparado con un acero para herramientas convencional con la designación 1.2344 de acuerdo con DIN 17350 EN ISO 4957. Los resultados de las medidas de temperatura pirométricas se recogen en la FIG. 5.
Teniendo en cuenta que la temperatura habitual de la herramienta en estos procesos es de aproximadamente 200°C, se puede conseguir un acortamiento del tiempo de enfriamiento de aproximadamente el 50% con el acero para herramientas de acuerdo con la invención utilizado aquí.
Además de los aspectos inventivos del ajuste básico de la conductividad térmica que se obtiene mediante una elección adecuada de la composición química, la presente invención también incluye el aspecto de un ajuste fino que se obtiene mediante un tratamiento térmico definido.
En la Tabla 6 se muestra, a modo de ejemplo, la influencia de diferentes condiciones de tratamiento térmico sobre la conductividad térmica resultante para las variantes de aleación F, con la composición química resumida en la Tabla 5, y FC, con la composición química resumida en la Tabla 3.
La razón de la diferente conductividad térmica resultante en función del tratamiento térmico, es la consecuencia de la modificación de la fracción en volumen de los carburos y el cambio en su distribución y morfología.
Ya se ha señalado anteriormente que, con el fin de aumentar la conductividad térmica, la fracción en peso de carbono, incluyendo los constituyentes del carbono equivalente N y B (carbono equivalente xCeq — xC 0,86xN 1,2xB, donde xC es la fracción en peso de C en porcentaje, xN es la fracción en peso de N en porcentaje y xB es la fracción en peso de B en porcentaje), de acuerdo con la invención, debe establecerse en la composición química de la aleación de forma que quede el menor carbono posible en solución en la matriz. Lo mismo se aplica a la fracción en peso de molibdeno xMo (%Mo) y de tungsteno xW (%W); en la medida de lo posible, éstos tampoco deben permanecer disueltos en la matriz, sino que deben contribuir a la formación de carburos. Esto también aplica de forma análoga a todos los demás elementos; éstos también deben contribuir a la formación de carburos y, por lo tanto, no deben permanecer disueltos en la matriz, sino servir para unirse al carbono y, posiblemente, aumentar la resistencia al desgaste bajo carga mecánica.
Las afirmaciones anteriores pueden trasladarse -aunque con algunas restricciones- a una aproximación de descripción general en forma de ecuación de un HC característico del acero para herramientas:
HC — xCeq - AC * [xMo / (3 * AMo) xW / (3 * AW) (xV-0,4) / AV]
en esta ecuación:
xCeq es la fracción en peso de carbono equivalente en porcentaje (como se define arriba);
xMo es la fracción en peso de molibdeno en porcentaje;
xW es la fracción en peso de tungsteno en porcentaje;
xV es la fracción en peso de vanadio en porcentaje;
AC es la masa atómica del carbono (12,0107 u);
AMo es la masa atómica de molibdeno (95,94 u);
AW es la masa atómica del tungsteno (183,84 u);
AV es la masa atómica del vanadio (50,9415 u).
El valor de HC debería estar ventajosamente entre 0,03 y 0,165. El valor HC también puede estar entre 0,05 y 0,158, en particular entre 0,09 y 0,15.
El factor 3 aparece en la ecuación presentada anteriormente para el caso en el que se esperen carburos del tipo M3C o M3Fe3C en la microestructura del acero para herramientas de acuerdo con la invención; M representa aquí cualquier elemento metálico deseado. El factor 0,4 aparece debido al hecho de que la fracción en peso deseada de vanadio (V) como porcentaje suele añadirse durante la producción de la aleación como un compuesto químico en forma de carburos y, por tanto, también está presente como carburo metálico MC hasta esta fracción.
Otros campos de aplicación de los aceros para herramientas (aceros para trabajo en caliente) de acuerdo con la presente invención.
Con respecto al uso adicional de realizaciones ejemplares preferidas de los aceros para herramientas de acuerdo con la invención (en particular los aceros para trabajo en caliente), los ámbitos de aplicación que en principio son concebibles son aquellos en los que una alta conductividad térmica o un perfil de conductividades térmicas que varían de forma definida tienen un efecto positivo en el comportamiento de aplicación de la herramienta utilizada y en las propiedades de los productos producidos con ella.
Con la presente invención se puede obtener un acero con una conductividad térmica definida con precisión. Es incluso posible obtener, modificando la composición química, un objeto de acero constituido, al menos parcialmente, por uno de los aceros para herramientas (aceros para trabajo en caliente) presentados aquí, con una conductividad térmica que varía en el volumen. En este caso, se puede utilizar cualquier proceso que permita modificar la composición química dentro del objeto de acero, como por ejemplo la sinterización de mezclas de polvos, la sinterización local o la fusión local o lo que se conoce como procesos de utillaje rápido (rapid tooling) o procesos de prototipado rápidos, o una combinación de procesos de utillaje rápido y procesos de prototipado rápidos.
Además de las aplicaciones ya mencionadas en el ámbito del conformado de chapa en caliente (estampación en caliente, endurecimiento por conformado) y de la fundición de metales ligeros, los ámbitos de aplicación preferidos para los aceros de trabajo en caliente de acuerdo con la invención son, generalmente, herramientas y procesos de fundición de metales dependientes de moldes, el moldeo por inyección de plásticos y los procesos de conformación de sólidos, en particular el conformado de sólidos en caliente (por ejemplo, forjado, extrusión o extrusión de prensa, laminación).
En lo que respecta al producto, los aceros que se presentan aquí representan los requisitos ideales para su uso en la fabricación de revestimientos de cilindros en motores de combustión interna, para máquinas-herramienta o discos de freno.
En la Tabla 7 se presentan otros ejemplos de realizaciones de aceros para herramientas (aceros para trabajo en caliente) de acuerdo con la invención, además de las variantes de aleación ya presentadas en las Tablas 3 y 4.
Las aplicaciones preferidas de los diferentes tipos de aleaciones recopiladas en la Tabla 7 son:
FA: fundición de aluminio;
FZ: conformado de cobre y de aleaciones de cobre (incluyendo latón);
FW: fundición de cobre y de aleaciones de cobre (incluyendo latón) así como de aleaciones metálicas con puntos de fusión superiores;
FV: conformado de cobre y de aleaciones de cobre (incluyendo latón);
FAW: fundición de cobre y de aleaciones de cobre (incluyendo latón) así como de aleaciones metálicas con puntos de fusión superiores;
FA Mod1: fundición de componentes de gran volumen de cobre y aleaciones de cobre (incluyendo latón) y aluminio;
FA Mod2: conformado de aluminio;
FC Mod1: conformado de chapa en caliente (estampación en caliente) con alta resistencia al desgaste; FC Mod2: conformado de chapa en caliente (estampación en caliente) con alta resistencia al desgaste.
Tabla 1
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Tabla 2
Figure imgf000016_0002
Tabla 3
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Tabla 4
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FM+3Cr | 0,32 | 3 | 4,2 | <0,1 | <0,01 | 0,24 | 0,22 |
Figure imgf000017_0001
Tabla 5
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Tabla 6
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Tabla 7
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Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Acero para herramientas, en particular acero para trabajo en caliente, con la composición:
0,26 a 0,55% en peso de C o 0,25 a 1% en peso de C y N y B en total;
< 2% en peso de Cr;
0,5 a 10% en peso de Mo;
0 a 15% en peso de W;
en donde el contenido de W y Mo es del 1,8 al 15% en peso en total;
elementos formadores de carburos Ti, Zr, Hf, Nb, Ta con un contenido de 0 a 3% en peso individualmente o en total;
0 a 4% en peso de V;
0 a 6% en peso de Co;
0 a 1,6% en peso de Si;
0 a 2% en peso de Mn;
0 a 2,99% en peso de Ni;
0 a 1% en peso de S;
el resto: hierro e impurezas inevitables, en donde las impurezas inevitables incluyen uno o más de los elementos Cu, P, Bi, Ca, As, Sn o Pb con un contenido de no más del 1% en peso, individualmente o en total,
caracterizado porque el acero para herramientas tiene una conductividad térmica a temperatura ambiente de más de 42 W/mK, preferentemente de más de 48 W/mK, en particular de más de 55 W/mK.
2. Acero para herramientas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el acero para herramientas contiene menos del 1% en peso de Cr, preferentemente menos del 0,5% en peso de Cr y en particular menos del 0,1% en peso de Cr.
3. Acero para herramientas de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el contenido de molibdeno en el acero para herramientas es >1% en peso, preferentemente >1,5% en peso, en particular >=2% en peso.
4. Acero para herramientas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el acero para herramientas contiene del 2 al 15% en peso, preferentemente del 2,5 al 15% en peso de Mo y W en total.
5. Acero para herramientas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el acero para herramientas contiene del 1 al 10% en peso de Mo.
6. Acero para herramientas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el contenido de vanadio en el acero para herramientas es < 2% en peso, preferentemente < 1,2% en peso.
7. Uso de un acero para herramientas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 como material para la producción de un objeto de acero para trabajo en caliente.
8. Objeto de acero caracterizado porque el objeto de acero consiste al menos parcialmente en un acero para herramientas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
9. Objeto de acero de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el objeto de acero tiene una conductividad térmica esencialmente constante en todo su volumen.
10. Objeto de acero de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el objeto de acero tiene, al menos en partes del mismo, una conductividad térmica cambiante.
11. Objeto de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque el objeto de acero es una herramienta de conformado en procesos de conformado a presión, cizalladura o doblado de metales, preferentemente en procesos de forja en matriz abierta, procesos de forja en matriz cerrada, forja en estado semisólido, procesos de extrusión, procesos de extrusión de prensa, doblado con matriz, conformado por laminado, laminado de perfiles planos, laminado de perfiles y laminado de fundición o es una herramienta de conformado en procesos de conformado por tracción-compresión y de conformado por tensión de metales, preferentemente en procesos de estampación en caliente, procesos de conformado por endurecimiento, procesos de embutición profunda, procesos de embutición por estiramiento y procesos de repulsado de agujeros.
12. Objeto de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque el objeto de acero en una herramienta de conformado en procesos de conformado primario de materiales de partida principalmente metálicos, preferentemente en procesos de fundición, inyección a presión asistida por vacío, fundición en estado semisólido, procesos de fundición-laminado, procesos de sinterización y prensado isostático en caliente o una herramienta de conformado en procesos de conformado primario de materiales principalmente poliméricos, preferentemente en procesos de moldeo por inyección, procesos de extrusión y procesos de extrusión-soplado o es una herramienta de conformado en procesos de conformado primario de materiales principalmente cerámicos, preferentemente en procesos de sinterizado.
13. Objeto de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque el objeto de acero es un componente para máquinas e instalaciones de generación de energía y conversión de energía, preferentemente para motores de combustión interna, reactores, intercambiadores de calor y generadores, o un componente para maquinas e instalaciones para ingeniería de procesos químicos, preferentemente para reactores químicos.
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